CN112556584A - 一种薄膜厚度微区成像的检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种薄膜厚度微区成像的检测装置及方法，属于薄膜厚度无损检测的技术领域，所述检测装置包括：计算机，分别与计算机通信连接的光源发生器和面阵检测器；所述光源发生器用于产生波长可调的单色光；照明及成像光路，所述照明及成像光路用于将单色光垂直或接近垂直方向入射到样品表面的待测区域，并将反射光收集并成像到面阵检测器上；检测过程包括：检测过程包括：通过计算机控制光源发生器进行波长扫描和面阵检测器进行逐个波长反射图像的采集，并获得不同波长的反射光图像，通过数据处理方法将反射光图像转变为薄膜厚度分布图像，以达到通过获得成像范围内大量点的薄膜厚度，能应用于分析厚度不均匀薄膜，预期在材料腐蚀、光学镀膜、半导体工业等领域具有良好应用前景的目的。

Description

一种薄膜厚度微区成像的检测装置及方法

技术领域

本发明属于薄膜厚度无损检测的技术领域，具体而言，涉及一种薄膜厚度微区成像的检测装置及方法。

背景技术

薄膜厚度是工业制备薄膜(如气相沉积薄膜、光学镀膜、金属表面防腐蚀镀层)和金属表面自然生成氧化膜的重要参数，制备及自然生长过程导致的薄膜厚度不均匀性是一个常见问题。

常规的薄膜厚度无损检测方法主要有反射光谱法、电磁涡流检测法、椭偏法、光学相干层析成像法等，其中，反射光谱法适用于透明薄膜材料具有检测厚度范围广、分辨率高、易于检测等优点，具有广泛的应用，其原理是通过测量薄膜上下表面产生的反射光谱，利用薄膜干涉原理计算薄膜厚度，主要由宽带白光光源、照明和收集光路、光谱仪组成。目前的反射光谱法每次可获得单个点(结合显微镜)或整个区域(光斑照射范围)反射光谱的平均值，即单个点的薄膜厚度或整个区域薄膜厚度的平均值，难以获得薄膜厚度微区分布情况。对于厚度不均匀的薄膜，如局部剥落的金属表面氧化膜、某些合金材料表面氧化膜，不仅需要获得氧化膜平均厚度，还需获得厚度分布情况。

目前常规的薄膜厚度无损检测方法，对于分析厚度不均匀薄膜具有明显不足，在材料腐蚀、光学镀膜、半导体工业不能良好应用。

发明内容

鉴于此，为了解决现有技术存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种薄膜厚度微区成像的检测装置及方法以达到通过获得成像范围内大量点(几十至几百万)的薄膜厚度，能应用于分析厚度不均匀薄膜，预期在材料腐蚀、光学镀膜、半导体工业等领域具有良好应用前景的目的。

本发明所采用的技术方案为：一种薄膜厚度微区成像的检测装置，所述检测装置包括：

计算机，分别与计算机通信连接的光源发生器和面阵检测器；所述光源发生器用于产生波长可调的单色光；

照明及成像光路，所述照明及成像光路用于将单色光垂直或接近垂直方向入射到样品表面的待测区域，并将反射光收集并成像到面阵检测器上；

通过计算机控制光源发生器的波长扫描和面阵检测器的图像采集，并获得不同波长的反射光图像。

进一步地，所述光源发生器包括宽带光源和单色仪，所述宽带光源通过单色仪产生波长可调的单色光，光谱测量范围可覆盖紫外-可见光-近红外波段(200-2000nm)。

进一步地，所述光源发生器设为可调谐激光器或LED光源，通过可调谐激光器或LED光源产生波长可调的单色光，单色光的波长可通过计算机控制进行波长扫描。

进一步地，所述照明及成像光路设为显微镜系统或光纤内窥镜，照明及成像光路光学元件应选择石英等材料。

进一步地，所述面阵检测器包括感光像素面阵，所述感光像素面阵用于将光信号转换为电信号，并采集样品在不同波长的反射光图像。

在本发明中还提供了一种薄膜厚度微区成像的方法，该方法包括：

S1：产生波长可调的单色光；

S2：将单色光垂直或接近垂直方向入射到样品表面的待测区域，并将反射光收集并成像；

S3：通过图像采集以获得不同波长下的反射光图像；

S4：将不同波长下的反射光图像进行处理转变为薄膜厚度分布图像。

进一步地，所述单色光由宽带光源通过单色仪产生，或者由可调谐激光器或LED光源直接产生。

进一步地，在步骤S4中，计算薄膜厚度分布图像的方法为：

S41：获取不同波长下的反射光图像形成的像元二维矩阵；

S42：依次对不同波长的反射光图像对应的像元二维矩阵转化为一维矩阵，并组合获得所有波长的反射光强度二维矩阵，其中，每一列或者行对应一个像元在不同波长下的反射率，即为反射率曲线；

S43：分析所有波长的反射光强度二维矩阵中每个像素对应列或者行的反射率曲线，计算每个像元对应的薄膜厚度，此时，每个像素对应列或者行变为一个数，即得到一个一维数组；

S44：根据反射光图像的行列排布方式将一维数组转变为厚度分布图像。

进一步地，在步骤S42中，所述所有波长的反射光强度二维矩阵的组合方法为：

由各个像元依次排列成每一列，以每一列为一个像元根据不同波长对应的反射光谱组成反射光强度二维矩阵。

进一步地，所述步骤S46中，通过获得极值的干涉级次、极值处的波长以及薄膜折射率计算为厚度分布图像。

本发明的有益效果为：

1.本发明所提供的薄膜厚度微区成像的检测装置及方法，其通过一次波长扫描即可获得大量点的反射光谱数据，从而获得成像范围内大量点的薄膜厚度分布，便于分析厚度不均匀的薄膜，相对于目前反射光谱测量技术需要逐点扫描才能获得厚度分布情况，本技术具有效率高、微区分辨能力强以及空间分辨率可达到微米级别的优点，特别是，具有较好的薄膜厚度分辨能力，薄膜纵向分辨率可达到几个纳米。

附图说明

图1是本发明所提供的薄膜厚度微区成像的检测装置的整体结构示意图；

图2是本发明所提供的薄膜厚度微区成像的方法中计算薄膜厚度分布图像的过程示意图；

图3是本发明所提供的薄膜厚度微区成像的方法测量的PVD制备氧化铈薄膜总反射率光谱示意图；

图4是常规方法测量的PVD制备氧化铈薄膜总反射率光谱示意图；

图5是本发明所提供的薄膜厚度微区成像的方法获得的PVD制备氧化铈薄膜厚度分布示意图；

图6是本发明所提供的薄膜厚度微区成像的方法获得的金属铀表面氧化层厚度分布示意图。

具体实施方式

下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的模块或具有相同或类似功能的模块。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。相反，本申请的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。

实施例1

如图1所示，在本实施例中具体公开了一种薄膜厚度微区成像的检测装置，旨在获得不同波长的反射光图像，反射光图像通过计算机软件自动计算将反射光图像转变为薄膜厚度分布图像，以分析厚度不均匀薄膜，预期在材料腐蚀、光学镀膜、半导体工业等领域具有应用前景。所述检测装置包括：光源发生器、照明及成像光路、面阵检测器和计算机，具体设计如下：

①光源发生器

光源发生器用于产生波长可调的单色光，而对于光源发生器的选择为：一种是：光源发生器包括宽带光源和单色仪，宽带光源所产生白光通过单色仪产生波长可调的单色光，其中，宽带光源为高亮度激光激发白光光源，光谱范围200-2000nm，通过石英光纤耦合至光纤单色仪，单色仪扫描范围300-800nm，透过光半峰宽约3nm，光纤单色仪的输出波长可通过计算机程序控制，并通过直径400微米石英光纤将产生的单色光引入显微镜系统；另一种是：光源发生器设为可调谐激光器或LED光源，通过可调谐激光器或LED光源产生波长可调的单色光。

在本实施例中所指的单色光为：光谱测量范围可覆盖紫外-可见光-近红外波段(200-2000nm)。

②照明及成像光路

照明及成像光路用于将单色光垂直或接近垂直方向入射到样品表面的待测区域，并将反射光收集并成像到面阵检测器上；在实际应用时，照明和成像光路可以是显微镜系统，也可以是光纤内窥镜等形式，同时，为避免倾斜入射和反射光对反射光谱的影响，物镜数值孔径应尽量小(如0.1mm以下)；为了获得宽范围波段的反射光谱(200-2000nm)，照明及成像光路光学元件应选择石英等材料。优选的，显微镜系统采用科勒式照明以获得较均匀的照明光斑，物镜为50mm焦距的石英透镜，成像透镜为175mm焦距的石英透镜，分光片采用50/50半反半透石英分光片。

③面阵检测器

面阵检测器包括感光像素面阵，所述感光像素面阵用于将光信号转换为电信号，由于单色光的波长可通过计算机控制进行波长扫描，以此采集样品在不同波长的反射光图像。优选的，面阵检测器为1920*1080像素的黑白相机，光谱响应范围300-900nm，可将光强信号转变为二维矩阵数字信号并传输到计算机。

④计算机

计算机分别与光源发生器和面阵检测器通信连接；通过计算机控制光源发生器的波长扫描以及控制面阵检测器进行图像采集，以此获得不同波长的反射光图像。该检测装置在应用过程中的原理为：

宽带光源所产生白光通过单色仪产生波长可调的单色光，通过照明入射到样品待检测区域，样品反射光通过成像光路收集并成像到面阵检测器上，通过计算机控制光源发生器进行波长扫描和图像采集，进而获得不同波长的反射光图像信号。

实施例2

在实施例1中具体提供了薄膜厚度微区成像的检测装置，在本发明中还提供了薄膜厚度微区成像的方法，该方法适用于较为平整薄膜(其反射率较高且散射较弱)的薄膜厚度分析。相对于目前的反射光谱法每次仅能获得一个点或一个区域内的平均厚度，本方法一次可获得成像范围内大量点(几十至几百万)的薄膜厚度，对于分析厚度不均匀薄膜具有明显优势和进步，以下为测量PVD制备氧化铈薄膜样品的薄膜厚度图像分布，该方法包括：

S1：通过光源发生器产生波长可调的单色光；如实施例1中所述，单色光由宽带光源通过单色仪产生，或者由可调谐激光器或LED光源直接产生，此处不再赘述。

S2：通过照明及成像管路将单色光垂直或接近垂直方向入射到样品表面的待测区域，并经样品表面将反射光反射至阵面检测器，经由阵面检测器进行收集并成像；

S3：通过计算机控制光源发生器进行波长扫描和控制阵面检测器进行图像采集，以获得整个微区域内各个点在不同波长下的反射光图像；

S4：将不同波长下的反射光图像通过计算机软件自动计算以转变为薄膜厚度分布图像，如图2所示，计算薄膜厚度分布图像的方法具体为：

S41：面阵检测器采集的每个波长的反射光强度是一个二维矩阵，以此，能够获取不同波长下的反射光图像形成的像元二维矩阵，对应图2中的反射光图像中数字表示不同像元，英文字母代表不同波长下采集的反射光图像；由于实施例1中，面阵检测器是采用的1920*1080像素的黑白相机，因此，每个反射光图像的矩阵大小为1920*1080，共n个不同波长下采集的反射光图像；

在400-750nm波长下反射率，通过波长扫描(间隔10nm)获得一系列反射光图像，将各个图像中所有像素的光强累加可获得测量区域内(宽度约2mm)总反射光强度，如图3所示，经过与铝反射镜标准图像修正后即可获得反射率曲线，通过反射率曲线可计算获得测量区域平均的膜厚信息，即：传统方法是通过单色仪获得反射光谱曲线，为了和传统方法比较以证明测量准确性，将所有图像的像素点总强度叠加，可获得总的反射光谱曲线，本技术中每个像素可获得一个位置的反射率曲线，所有像素叠加相当于取平均，便于与传统方法比较。一般来讲，由于在不同波长下光源的强度及检测器效率不同，因此，需要首先采集一个标准样品(如铝反射镜)在不同波长下的样品反射图像作为参照，将样品反射光图像除以标准样品反射光图像，获得不同波长的反射率图像，通过该反射率图像能够对样品反射光图像进行修正。

常规方法通过白光光源、反射光纤探头以及光纤光谱仪所采集的PVD制备氧化铈薄膜样品的反射光谱曲线，如图4所示，与图3相比测量结果是基本相同的；而峰位的略微差异主要原因是薄膜厚度不均匀和测量位置不同。

S42：依次对不同波长的反射光图像对应的像元二维矩阵转化为一维矩阵(一行或者一列)，并组合获得所有波长的反射光强度二维矩阵，反射光强度二维矩阵大小为2073600*n；所述反射光强度二维矩阵的组合方法为：

由各个像元依次排列成每一列，以每一列为一个像元根据不同波长对应的反射光谱组成反射光强度二维矩阵，如图2所示；在此矩阵中每一列对应一个像素点反射光强度随波长的变化，即每一列为一个像元的反射光谱。

S43：对反射光强度二维矩阵的每列计算出极值，在本实施例中，选择图3中520nm左右的极值作为分析对象；

S44：根据索引找到极值所对应的波长，并填充形成一维数组，如图2所示；

S45：根据反射光图像的行列排布方式将一维数组转变为极值波长二维矩阵，即，此时获得的是极值波长图像；

S46：极值波长二维矩阵通过薄膜干涉原理计算出厚度分布图像，通过获得极值的干涉级次、极值处的波长以及薄膜折射率计算为厚度分布图像，根据实际情况，也可选定其他方式计算厚度分布图像。

薄膜上表面反射光与下表面反射光的光程差为2*n*d，其中，n为折射率且d为薄膜厚度。光程差为半波长的整数倍时出现干涉极大值或极小值即2nd＝m*λ/2，m为干涉级次，本实施例中薄膜折射率n为2左右，可得到d＝mλ/8；如果m无法确定(大致厚度未知)，需要用多个峰的峰位间距来确定，即前一个峰谷级次设为m是后面峰的级次为m+1，可获得m数值。如图5所示，根据薄膜干涉原理该峰干涉级次为5级，此时峰位与膜厚关系为d＝5λ/4n，d＝次级，其中λ为极值处的波长，n为薄膜折射率，以此，计算出薄膜厚度分布图像；进而获得图像中不同像素点处该级次峰位波长并转化为膜厚图像，即可获得如图5所示的膜厚分布图像。通过该图像可以看出，PVD制备氧化铈薄膜厚度并不是很均匀，大部分位置厚度在300-325nm之间，但也存在一些偏离该范围的部位，这些部位与表面形貌有密切关系，同时，该图像也可用于判断薄膜缺陷。需要说明的是，在本实施例中，反射率曲线计算薄膜厚度采用的极值法，而实际应用中，还可以采用拟合法等，此处不再一一列举。

在实际应用上述方法时，首先利用标准样品(铝反射镜)在不同波长下依次成像，将获得的图像作为参照；在测量样品时同样在不同波长下依次成像，并将样品图像除以参照图像获得各个波长下的反射率图像，再利用所述步骤S4所记载的计算方法计算出薄膜厚度图像分布。

实施例3

在实施例2中，以测量PVD制备氧化铈薄膜样品的薄膜厚度图像分布，在本实施例中，以金属铀表面氧化层厚度分布为例。测量时面阵检测器积分时间为1s，每个波长采集10次取平均，对空气中经过长期氧化的金属铀表面进行薄膜厚度成像分析，如图6所示，可发现金属铀表面的氧化膜存在一定不均匀性，氧化膜平均厚度在75-80nm，但部分车削纹理和一些缺陷部分氧化膜厚度偏离该范围。

需要说明的是，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指至少两个。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本申请的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本申请的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

应当理解，本申请的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

此外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种薄膜厚度微区成像的检测装置，其特征在于，所述检测装置包括：

计算机，分别与计算机通信连接的光源发生器和面阵检测器；所述光源发生器用于产生波长可调的单色光；

照明及成像光路，所述照明及成像光路用于将单色光垂直或接近垂直方向入射到样品表面的待测区域，并将反射光收集并成像到面阵检测器上；

通过计算机控制光源发生器的波长扫描和面阵检测器的图像采集，并获得不同波长的反射光图像。

2.根据权利要求1所述的薄膜厚度微区成像的检测装置，其特征在于，所述光源发生器包括宽带光源和单色仪，所述宽带光源通过单色仪产生波长可调的单色光。

3.根据权利要求1所述的薄膜厚度微区成像的检测装置，其特征在于，所述光源发生器设为可调谐激光器或LED光源，通过可调谐激光器或LED光源产生波长可调的单色光。

4.根据权利要求1所述的薄膜厚度微区成像的检测装置，其特征在于，所述照明及成像光路设为显微镜系统或光纤内窥镜。

5.根据权利要求1所述的薄膜厚度微区成像的检测装置，其特征在于，所述面阵检测器包括感光像素面阵，所述感光像素面阵用于将光信号转换为电信号，并采集样品在不同波长的反射光图像。

6.一种薄膜厚度微区成像的方法，其特征在于，该方法包括：

S1：产生波长可调的单色光；

S2：将单色光垂直或接近垂直方向入射到样品表面的待测区域，并将反射光收集并成像；

S3：通过图像采集以获得不同波长下的反射光图像；

S4：将不同波长下的反射光图像进行处理转变为薄膜厚度分布图像。

7.根据权利要求6所述的薄膜厚度微区成像的方法，其特征在于，所述单色光由宽带光源通过单色仪产生，或者由可调谐激光器或LED光源直接产生。

8.根据权利要求6所述的薄膜厚度微区成像的方法，其特征在于，在步骤S4中，计算薄膜厚度分布图像的方法为：

S41：获取不同波长下的反射光图像形成的像元二维矩阵；

S42：依次对不同波长的反射光图像对应的像元二维矩阵转化为一维矩阵，并组合获得所有波长的反射光强度二维矩阵，其中，每一列或者行对应一个像元在不同波长下的反射率，即为反射率曲线；

S43：分析所有波长的反射光强度二维矩阵中每个像素对应列或者行的反射率曲线，计算每个像元对应的薄膜厚度，此时，每个像素对应列或者行变为一个数，即得到一个一维数组；

S44：根据反射光图像的行列排布方式将一维数组转变为厚度分布图像。

9.根据权利要求8所述的薄膜厚度微区成像的方法，其特征在于，在步骤S42中，所述所有波长的反射光强度二维矩阵的组合方法为：

由各个像元依次排列成每一列，以每一列为一个像元根据不同波长对应的反射光谱组成反射光强度二维矩阵。

10.根据权利要求8所述的薄膜厚度微区成像的方法，其特征在于，所述步骤S46中，通过获得极值的干涉级次、极值处的波长以及薄膜折射率计算为厚度分布图像。

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